シリコンをベースにした光学チップを有する光ファイバジャイロスコープ
【課題】光ファイバジャイロスコープを提供すること。
【解決手段】基板は、絶縁層の上に形成されたシリコン層を有し、導波路が、シリコン層の中に形成され、主光チャネル、この主光チャネルの両端に結合された第１および第２のスプリッタ、第１のスプリッタに結合された第１および第２のセグメント、ならびに第２のスプリッタに結合された第３および第４のセグメントを有している。光ファイバコイルは、導波路の第３のセグメントに結合された第１の端部、および導波路の第４のセグメントに結合された第２の端部を有する。光源は、導波路の中に光を放射するように導波路の第１のセグメントに結合されている。光検出器は、光の少なくともいくらかを取り込みかつその間の干渉を検出するように、導波路の第２のセグメントに結合されている。
【解決手段】基板は、絶縁層の上に形成されたシリコン層を有し、導波路が、シリコン層の中に形成され、主光チャネル、この主光チャネルの両端に結合された第１および第２のスプリッタ、第１のスプリッタに結合された第１および第２のセグメント、ならびに第２のスプリッタに結合された第３および第４のセグメントを有している。光ファイバコイルは、導波路の第３のセグメントに結合された第１の端部、および導波路の第４のセグメントに結合された第２の端部を有する。光源は、導波路の中に光を放射するように導波路の第１のセグメントに結合されている。光検出器は、光の少なくともいくらかを取り込みかつその間の干渉を検出するように、導波路の第２のセグメントに結合されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、ジャイロスコープシステムに関し、より詳細には、光ファイバジャイロスコープで使用する光学チップおよびこの光学チップを組み込んだ光ファイバジャイロスコープに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、干渉方式光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）は、宇宙船などの様々な物体の回転および角度方向を感知するためにいくつかの技術で広く使用されている。ＩＦＯＧは、一般に、回転（すなわち、感知すべき回転）軸のまわりにコイル状に巻かれたしばしば長さ数キロメートルの光ファイバを含む。光は、互いに反対方向にコイルに入射され、光検出器に向けられる。コイルが軸のまわりを回転すると、コイルの中を一方の方向に進む光に対して実効光路長は増すが、一方で、反対方向に進む光に対しては光路長が減少する。この光路長の差によって、互いに反対方向に進む光波間に、サニャック効果として知られている位相シフトが生じる。その結果として、干渉パターンが光検出器によって検出され、これはＩＦＯＧが回転していることを示している。
【０００３】
大抵の用途、特により高い性能を要求する用途では、ＩＦＯＧは、「最小相反構成（ｍｉｎｉｍｕｍ ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）」として知られているものを使用しなければならない。最小相反構成は、互いに逆に伝播する光の部分が、回転速度によって生じた差を除けば、検出器で取り込まれる前に同じ光路長を進むことを保証する。最小相反構成は、一般に、２つの光学フィルタの間の偏光子および空間フィルタだけでなく２つの光スプリッタによって実現される。空間フィルタは、一般に、光を所望の空間部分または所望のモードで誘導し、この光を他の空間分布すなわち不要なモードの光から空間的に分離することによって動作する。
【０００４】
近年、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）光学チップは、１つの光スプリッタおよび位相変調器を収納して、ＩＦＯＧの感度を高め、かつ光がチップを通過するときにその固有の特性によって光を偏光させるように使用されている。しかし、ニオブ酸リチウムは、そのような基板の導波路が比較的短く、かつ不要な光が基板中を搬送されることがあるので、空間フィルタとして十分に機能しない。この不要な光は、導波路の光とほぼ同一直線上で進み再びこの光と一緒になることがあり、または、検出されてジャイロ出力に大きな誤差をもたらすことがある。ニオブ酸リチウムの導波路は急角度で曲げることができないので、不要なモードまたは基板光を、信号光を搬送する主導波路から空間的に分離するのは困難であり、誘導信号光が不要な光から離れた方向に誘導されるように誘導信号光の向きを急角度で変えることができない。一般に、そこに形成された導波路は、３から５度などの非常に小さな角度だけ光の方向を変える（すなわち、湾曲させるか、曲げる）ことができるだけである。その結果として、第２のスプリッタだけでなく空間フィルタも、ニオブ酸リチウム基板の外に含まれなければならず、このことで、サイズが大きくなりニオブ酸リチウム基板を利用したＩＦＯＧの製造にかかるコストが増すことがある。その上、ニオブ酸リチウムの処理および材料特性の制限のために、一般に、光検出器などの様々な他の部品および電子回路を導波路と同じ基板に集積化することはできない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、単一基板に集積化される部品数の増加した光ファイバジャイロスコープを提供することが望ましい。さらに、本発明の他の望ましい特徴および特性は、添付の図面および前記の技術分野および背景と併せ読めば、次の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
光ファイバジャイロスコープが提供される。基板は、絶縁層の上に形成されたシリコン層を有する。導波路は、シリコン層の中に形成され、主光チャネル、この主光チャネルの両端の第１および第２のスプリッタ、第１のスプリッタに結合された第１および第２のセグメント、および第２のスプリッタに結合された第３および第４のセグメントを有している。光ファイバコイルは、導波路の第３のセグメントに結合された第１の端部、および導波路の第４のセグメントに結合された第２の端部を有する。光源は、第１の方向で導波路の中に光を放射するように導波路の第１のセグメントに結合されている。導波路は、光が第１のセグメント、第１のスプリッタ、および主光チャネルを通って伝播し、かつ光が第２のスプリッタによって第１および第２の部分に分割されるように構成されている。第１および第２の部分は、導波路の第３および第４のセグメントを通って、光ファイバコイルを回って、さらに前記第３および第４のセグメントおよび第２のスプリッタを通ってそれぞれ伝播し、主光チャネル中で結合されて信号光になる。信号光は、次に、第２の方向に主光チャネルを通って伝播し、信号光の少なくともいくらかが第２のセグメントの端部から放射されるように、第１のスプリッタで分割される。光検出器は、信号光の少なくともいくらかを取り込み、かつ第１と第２の光の部分間の干渉を検出するように、導波路の第２のセグメントに結合されている。
【０００７】
以降、本発明は、添付の図面と共に説明され、図面では、同様な符号は同様な要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下の詳細な説明は、本質的に単に例示に過ぎず、本発明または本発明の応用および使用を限定する意図でない。さらに、前に記述した技術分野、背景、概要、または以下の詳細な説明に表されたいかなる明示または暗示された理論によっても拘束されるものではない。また、留意すべきことであるが、図１〜８は、単に説明的なものに過ぎず、原寸に比例して描かれていないことがある。
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態に従った光ファイバ・ジャイロスコープ・システム（すなわち、干渉方式光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ））１０を示す。システム１０は、集積光学チップ（ＩＯＣ）１２、ファイバ感知ループ（すなわち、光ファイバコイル）１４、光源１６、および光ファイバ１８を含む。
【００１０】
ＩＯＣ１２は、基板２０を含み、この基板２０上に、導波路２２、光検出器２４、位相変調器２６、およびコントローラ２８が形成されている。さらに図１を参照すると、図示の実施形態では、基板２０は、形が実質的に正方形または長方形であり、例えば３ｃｍ未満、または約５ｍｍから約１．５ｃｍの辺の長さ３２を有している。先の図３を見ると、基板２０は、第１の（すなわち、下部）シリコン（Ｓｉ）層３４、絶縁層３６、および第２の（すなわち、上部）シリコン層３９を含む。また、基板は、第２の絶縁層３８を含んでもよい。基板２０の全厚さは、約０．２５４ｍｍ（１０ミリインチ）であり、これの大部分は、第１のシリコン層３４の厚さのためである。絶縁層３６および３８は、二酸化珪素（ＳｉＯ２）などの絶縁材料から作られ、第１のシリコン層３４および第２のシリコン層３９の上に形成することができる。絶縁層３６および３８および間の第２のシリコン層３９の厚さは、例えば、約４００から約７００ミクロンである。したがって、基板２０は、一般に理解されているようなシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板の形であってもよい。層３９と周囲絶縁層３６および３８の間の屈折率差（シリコンの方が大きい）のために、光は、第２のシリコン層３９の中に閉じ込められる。基板２０、および／または図３に示されるような基板の中の様々な層は、一般に理解されているように、例えば、化学気相成長（ＣＶＤ）、結合、および熱成長のプロセス、またはこれらを組合せた方法を使用して形成してもよい。絶縁層の代わりに空気が第２のシリコン層３９の上にある場合でも、第２のシリコン層３９への縦モード閉じ込めは起こるので、いくつかの設計では、第２の絶縁層３８を省略することが可能なことがある。
【００１１】
再び、図１を参照して、基板２０は、また、基板２０の中に、または基板２０の上に配置された偏光エレメント４１（すなわち、偏光子）を含むことがあり、これによって、最小相反構成の要求条件が確実に満たされる。これは、偏光子４１の領域の導波路２２の近くの光誘導領域にごく接近して金属層などの追加層を加えることによって、行われてもよい。もしくは、偏光子４１はトレンチを含むことがあり、このトレンチで、導波路２２が中断され微小光学偏光子すなわち偏光結晶が挿入される。しかし、導波路２２から出ていき、微小光学偏光子を横切った後で導波路２２に再び入るビームを平行にするために、レンズが必要である場合がある。基板２０は、単体として示されているが、基板２０は、例えば、約１５０、２００、３００ミリメートルの直径の半導体ウェーハの一部であってもよいことは、理解されるべきである。その上、当技術分野で一般に理解されているように、基板２０は、ウェーハが分割された複数のダイの１つ、すなわち「小立方体」を構成することがある。
【００１２】
図２および３を参照すると、基板２０は、また、光子結晶構造または光子バンドギャップ周期構造を形成する、層３８、３９および３６を貫通する複数の穴４０を含む。これらの穴４０は、一般に理解されているように、例えば、フッ化炭化水素放電に基づいたドライエッチングプロセスを使用して形成されてもよい。領域または区域４２では、基板２０は穴４０で占有されていない。空いた区域４２は、以下でより詳細に説明されるように、導波路２２を画定する。留意すべきことであるが、図３に示された導波路２２では、縦方向の屈折率差（すなわち、屈折率誘導）によって、さらに水平方向の光子バンドギャップ効果によって、光は、単一空間モードに閉じ込められる。他の実施形態では、横方向で単一緊密導波モード（ｓｉｎｇｌｅ ｔｉｇｈｔｌｙ ｇｕｉｄｅｄ ｍｏｄｅ）に光を閉じ込めるために従来のリッジ導波路構造が使用されることがある。というのは、シリコンでは、シリコンと二酸化シリコンの屈折率の差が大きいからである。この実施形態では、光を導くために使用される横方向の薄い角リッジを除いて、第２のシリコン層は、例えばエッチングによって除去される。光を閉じ込めるために、再び、二酸化珪素が、導波路領域の上面、および側面に堆積されてもよい。
【００１３】
図１に示されるように、導波路２２は、主チャネル４６、第１のスプリッタ４８、第２のスプリッタ５０、および第１、第２、第３、および第４のセグメント５２、５４、５６、および５８を含む。図示された実施形態では、主チャネル４６は、チャネルの端が、基板２０のデバイス側部６０の方へ実質的に垂直に向けられように、「ひじ形部」および／または「Ｓ字湾曲部」を有している。主チャネル４６は、例えば、約５ミクロンから約０．５ｃｍの曲率半径６２を有してもよい。第１および第２のスプリッタ（または、Ｙスプリッタ）４８と５０は、主チャネル４６の両端に結合され、主チャネル４６と同様に、図１に特に示されていない前述の空いた区域４２によって、または前述のリッジ導波路によって画定されている。第１および第２のセグメント５２および５４は、第１のスプリッタ４８に接続されて、第１のセグメント５２はデバイス側部の中心部分に至り、第２の部分５４は基板２０の角領域に至っている。第３および第４のセグメント５６および５８は、第２のスプリッタ５０に接続され、基板２０のデバイス側部６０の外側部分に至っている。導波路２２の他の部分のように、セグメント５２、５４、５６、および５８は、第２のシリコン層３９の前述の空いた区域４２によって、または従来のリッジ導波路によって画定されている。
【００１４】
光検出器２４は、導波路２２の第２のセグメント５４の端部に隣接している。詳細に示されていないが、好ましい実施形態では、光検出器２４は、第２のシリコン層３９の中に形成されたゲルマニウム添加領域を中に含むフォトダイオードを含む。光検出器２４は、また、ゲルマニウムまたはインジウムガリウム砒素燐（ＩｎＧａＡｓＰ）から作られた個別光検出器チップであってもよい。位相変調器２６は、基板２０上に形成され、図示の実施形態では、４つの電極６２を含んでいる。詳細に図示されていないが、電極６２の各々は、導波路２２の近くの基板２０の中に形成された導電線、パッド、またはトレースを含むことがある。電気信号が導波路区域へのキャリアの注入を変えてその部分の屈折率を調節することができるようにするために、これらの電極６２は、銅、アルミニウム、または金などの任意の適切な導電性材料であってもよい。電極６２の位置は、信号が生じた（アクセスするための）場所および導波路２２の正確な幾何学的配置に依存する。電極６２は、対で配列されることがあり、各対は導波路の第３および第４のセグメント５６および５８にそれぞれごく接近している。
【００１５】
コントローラ２８（すなわち、処理サブシステム）は、一実施形態では、基板２０上に、または基板２０の中に形成され、さらに、当業者は理解するように、用途特定集積回路（ＡＳＩＣ）および／または、コンピューティングシステムによって実行され、以下で説明される方法およびプロセスを実施するコンピュータ可読媒体に格納された指示、などの様々な回路および集積回路を含んだ電子部品を含んでもよい。具体的に示されていないが、コントローラ２８は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）、マイクロプロセッサまたはデジタル・ゲート・アレイ、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）、およびいくつかの増幅器を含んでもよい。第１の増幅器は、光検出器２４の出力に接続されて、適切な信号バッファを実現し、さらに光検出器２４から受け取られた出力信号の全体的な利得を増加または減少させることがある。ＡＤＣは、含まれていれば第１の増幅器か、光検知器２４かのどちらかから受け取られたアナログ信号を、そのアナログ信号を表すデジタルデータに変換し、このデジタルデータをマイクロプロセッサまたはデジタル・ゲート・アレイに供給する。ＤＡＣおよび、含まれていれば、第２の増幅器は、マイクロプロセッサの出力に連続的に接続されている。一般に知られているように、ＤＡＣは、マイクロプロセッサから供給されたデジタルデータを、そのデジタルデータを表すアナログ信号に変換する。含まれていれば第２の増幅器の出力は、セグメント５６および５８の範囲内の位相変調器に接続される。マイクロプロセッサまたはデジタル・ゲート・アレイは、ＡＤＣとＤＡＣの間に結合される。図示のように、コントローラ２８は、光源１６、光検出器２４、および位相変調器６２と動作可能に連絡している。
【００１６】
光源１６は、ファイバ光源（Ｆｉｂｅｒ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｓｅ、ＦＬＳ）組立品などの光ファイバジャイロスコープで一般に使用される任意の光源である。一実施形態では、光源は、９８０ｎｍ半導体ポンプレーザダイオードと、約１０ｎｍから３５ｎｍのおおよその帯域幅を有するほぼ１５３２ｎｍの波長の光を発生させることができるエルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）とを含む。半導体ポンプレーザダイオードは、広帯域光を放射するようにエルビウム添加ファイバを光励起するために使用される。
【００１７】
基板２０は、また、デバイス側部６０に沿って形成された複数のｖ字溝６６を含んでもよい。各ｖ字溝６６は、導波路２２のそれぞれのセグメントと、光ファイバコイル１４の端部の１つおよび光ファイバ１８の端部とを相互接続する。図４および５は、導波路２２の第１のセグメント５２と光ファイバ１８を相互接続するｖ字溝６６を示す。図４に示されるように、ｖ字溝６６は、例えば、約１００から約２０００ミクロンの長さ６８である。図５を参照して、光ファイバ１８が導波路２２の第１のセグメント５２と一直線に並ぶように光ファイバ１８（または、光ファイバコイル１４の端部）を支持する大きさにｖ字溝６６が作られるように、ｖ字溝６６は、幅７０および深さ７２を有している。ｖ字溝６６の深さ７２は、ｖ字溝６６が絶縁層３６の中に延びるように第２のシリコン層３９の厚さよりも大きくてもよい。
【００１８】
再び図１を参照すると、光ファイバコイル１４は、回転軸（図示されない）のまわりに位置付けされた、例えば約１ｋｍから約６ｋｍの長さを有する光ファイバケーブルの巻線である。光ファイバコイル１４の第１および第２の端部は、基板２０に接続され、したがって、図４および５に示されるような光ファイバ１８と同様なやり方で、導波路２２の第３および第４のセグメント５６および５８と一直線に並べられている。
【００１９】
動作時に、コントローラ２８は、光源１６を起動し、光源１６は、光ファイバ１８を通して、導波路２２の第１のセグメント５２の中に光を放射する。この光は、第１のセグメント５２を通り抜け、第１のスプリッタ４８を通り過ぎ、さらに主光チャネル２２の中に進み、そこで第２のスプリッタ５０の方へ向けられる。光が第２のスプリッタ５０を通過するときに、この光は第１の部分と第２の部分に分割される。第１の部分は、導波路２２の第３のセグメント５６を通って光ファイバコイル１４に伝播し、時計方向でコイル１４を横切る。第２の部分は、第４のセグメント５８を通って光ファイバ１４の方へ伝播し、反時計方向でコイル１４を横切る。第１および第２の光の部分が位相変調器２６を通過するときに、コントローラ２８は、例えば、当技術分野で一般に理解されているような方形波バイアス変調技法を実施して、ＩＦＯＧ１０の感度を高める。変調の深さは、特定の用途に依存して様々な位相点で選ばれてもよい。例には、±π／２、±３π／４、±７π／８、および±１５π／１６がある。
【００２０】
図６は、動作中の基板２０の下の方の部分を示す。第１および第２の光の部分が光ファイバコイル１４から第２のスプリッタ５０に戻るときに、第１および第２の光の部分の大部分は、導波路２２の中にとどまり（すなわち、信号光７４）、主チャネル４６に沿って伝播する。しかし、第１および第２の光の部分のいくらかは、図１に示されるように、導波路２２から横方向に第２のシリコン層３８の中に進むことがあり（すなわち、透過光７６）、または、絶縁層の中に漏れ、信号光７４と同一線上でまたはほぼ同一線上で伝播することがある。信号光７４は、導波路２２の主チャネル４６の経路に従い、したがって、基板２０の上の方の部分の方へ曲げられる。当業者は理解するように、偏光子４１は、導波路２２の光の１つの可能な偏光を大きく減衰させて、相反性条件を保証する。透過光７６は、基板２０全体にわたって広がり続け、好ましくは、導波路２２に再び入らないように、および／または検出器２４で検出されないようにされる。
【００２１】
図７は、動作中の基板２０の上の方の部分を示す。図示のように、信号光７４は、第１のスプリッタ４８まで導波路２２に従い続ける。第１のスプリッタ４８は、一部が光検出器２４に伝播し他の部分が光ファイバ１８に伝播するように、信号光７４を分割する。図７と組み合わせて図６を参照すると、導波路２２の湾曲形状、特に導波路２２の主チャネル４６の湾曲形状によって、信号光７４は、透過光７６からフィルタされる、すなわち分離されるようになる。一実施形態では、信号光７４の方向が、コイル１４から光検出器２４までの伝播の間に９０度を超えて変えられる（すなわち、曲げられる）ように、導波路２２は形作られる。これによって、導波路２２に結合して入る、すなわち光検出器２４に到達する透過光７６の能力が大きく弱められる。当業者は理解するように、導波路２２の形状によって行われるフィルタ処理（すなわち、空間フィルタ処理）は、所望の信号光のただ１つの空間モードの光だけが光検出器２４に伝播されることを保証する。
【００２２】
したがって、信号光７４の少なくともいくらか（すなわち、信号光７４の第１および第２の部分の少なくともいくらか）は、光検出器２４で取り込まれる。しかし、図示のように、光検出器２４の方へ伝播する透過光７６（例えば第１および第２のスプリッタ４８および５０から生じた）の成分は、非常に少なくなる。導波路２２の向きおよび光検出器２４の能動エレメントの向きのために、光検出器２４の方へ伝播するいかなる透過光７６も、取り込まれることなく光検出器２４を通り過ぎる。したがって、透過光のうちで光検出器２４によって取り込まれるものは実質的になく、信号光７４の少なくともいくらかは光検出器２４で取り込まれる。
【００２３】
図１、６および７で特に興味深いことは、信号光７４が第２のスプリッタ５０および第１のスプリッタ４８を通過するときに、信号光７４が導波路の中で偏光子４１によって偏光され、導波路２２の形状のために空間的にフィルタされることである。したがって、ＩＦＯＧ１０は、当技術分野で一般に理解されるように「最小相反構成」になっていると考えられる。その結果として、光検出器で取り込まれる第１と第２の光の部分が進む光路長の差は、コイル１４の回転軸のまわりのＩＦＯＧ１０の回転だけによっている。すなわち、ＩＦＯＧ１０が全く回転していないとき、第１および第２の光の部分が進む光路長は同一である。
【００２４】
光検出器２４は、導波路の第２のセグメント５４から信号光７４の一部分を受け取り、一般に理解されるように、光ファイバコイル１４の軸のまわりのＩＦＯＧ１２の回転による信号光７４の第１の部分と第２の部分の間の任意の干渉パターンを表す信号を生成する。コントローラ２８は、光検出器２４からの信号を処理し、それからＩＦＯＧ１０の回転速度を計算する。
【００２５】
上述の本システムの１つの有利点は、導波路、光検出器、位相変調器、およびコントローラが単一基板（超小型電子技術ダイすなわち半導体チップ）に集積化されることである。したがって、ＩＦＯＧの全体的な大きさおよび製造コストは最小限になる。他の有利点は、基板がシリコンから作られているので、基板上の様々な構成を標準的な半導体処理技術を使用して形成できる場合がある、それによって、ＩＦＯＧの製造コストがさらに減少することである。さらに他の有利点は、光子結晶構造の場合に強調される厳密な半径にシリコン導波路が対応することができるので、ＩＦＯＧが適切に機能するために必要とされるような高効率空間フィルタ処理を実現するように導波路の曲率半径を最小限にすることができることである。その結果として、基板の大きさは、さらにいっそう最小限にすることができる。
【００２６】
図８は、本発明の他の実施形態に従ったＩＦＯＧ１０に使用される基板７８を示す。基板７８は、第１の（すなわち、下部）シリコン層８０、第１の絶縁層８２、第２の（すなわち、上部）シリコン層８４、および第２の絶縁層８６を含む。基板７８は、同じ材料を使用して上述の基板２０と同様なやり方で形成されてもよい。しかし、第２のシリコン層８４は、光子セルを含まなくてもよく、導波路９０は、第２のシリコン層８４と、第２の絶縁層８６に加えて第１の絶縁層８２との屈折率の差のために形成されてもよい。導波路９０は、「リッジ導波路」と呼ばれることがあり、図示されていないが、位相変調器２６の近く、および／または導波路２２の第３および第４のセグメント５６および５８内などの図１に示された基板２０の様々な部分で利用されてもよい。
【００２７】
他の実施形態は、Ｓ字形またはＬ字形の様々な組合せなどの導波路の異なる形状を利用することがある。したがって、光源などのＩＦＯＧの様々な部品は、他の部品に対して再位置決めされてもよい。例えば、光源は、光ファイバコイルに向い合う側部などの基板のどの側部に結合されてもよい。また、光源は、基板に取り付けられ導波路に結合された広帯域超放射ダイオード（ＳＲＤ）の形であってもよい。
【００２８】
少なくとも１つの例示の実施形態が上記の詳細な説明で示されたが、多数の変形物が存在することは理解されるべきである。また、理解されるべきことであるが、例示の１つまたは複数の実施形態は、ただ実施例に過ぎず、いずれにせよ本発明の範囲、適用性、または構成を限定するものではない。むしろ、上記の詳細な説明は、例示の１つまたは複数の実施形態を実施するために好都合なロードマップを当業者に提供する。理解されるべきことであるが、添付の特許請求の範囲に示されるような本発明の範囲およびそれの法律上の同等物から逸脱することなく、要素の機能および配置に様々な変更が加えられることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に従った基板を含んだ光ファイバ・ジャイロスコープ・システムを示す模式図である。
【図２】細部Ａについて描かれた図１の基板の一部を示す上面図である。
【図３】線３‐３に沿って描かれた図２の基板の一部を示す断面側面図である。
【図４】細部Ｂについて描かれた図１の基板の一部を示す上面図である。
【図５】線５‐５に沿って描かれた図４の基板の一部を示す断面側面図である。
【図６】動作を示す、図１の基板の下の方の部分の上面図である。
【図７】動作を示す、図１の基板の上の方の部分の上面図である。
【図８】本発明の他の実施形態に従った基板を示す断面側面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０ 干渉方式光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）
１２ 集積光学チップ（ＩＯＣ）
１４ 光ファイバコイル（ファイバ感知ループ）
１６ 光源
１８ 光ファイバ
２０ 基板
２２ 導波路
２４ 光検出器
２６ 位相変調器
２８ コントローラ
３４ 第１のシリコン層
３６ 絶縁層
３９ 第２のシリコン層
４１ 偏光子
４６ 主チャネル
４８ 第１のスプリッタ
５０ 第２のスプリッタ
５２ 第１のセグメント
５４ 第２のセグメント
５６ 第３のセグメント
５８ 第４のセグメント
６６ ｖ字溝
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、ジャイロスコープシステムに関し、より詳細には、光ファイバジャイロスコープで使用する光学チップおよびこの光学チップを組み込んだ光ファイバジャイロスコープに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、干渉方式光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）は、宇宙船などの様々な物体の回転および角度方向を感知するためにいくつかの技術で広く使用されている。ＩＦＯＧは、一般に、回転（すなわち、感知すべき回転）軸のまわりにコイル状に巻かれたしばしば長さ数キロメートルの光ファイバを含む。光は、互いに反対方向にコイルに入射され、光検出器に向けられる。コイルが軸のまわりを回転すると、コイルの中を一方の方向に進む光に対して実効光路長は増すが、一方で、反対方向に進む光に対しては光路長が減少する。この光路長の差によって、互いに反対方向に進む光波間に、サニャック効果として知られている位相シフトが生じる。その結果として、干渉パターンが光検出器によって検出され、これはＩＦＯＧが回転していることを示している。
【０００３】
大抵の用途、特により高い性能を要求する用途では、ＩＦＯＧは、「最小相反構成（ｍｉｎｉｍｕｍ ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）」として知られているものを使用しなければならない。最小相反構成は、互いに逆に伝播する光の部分が、回転速度によって生じた差を除けば、検出器で取り込まれる前に同じ光路長を進むことを保証する。最小相反構成は、一般に、２つの光学フィルタの間の偏光子および空間フィルタだけでなく２つの光スプリッタによって実現される。空間フィルタは、一般に、光を所望の空間部分または所望のモードで誘導し、この光を他の空間分布すなわち不要なモードの光から空間的に分離することによって動作する。
【０００４】
近年、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）光学チップは、１つの光スプリッタおよび位相変調器を収納して、ＩＦＯＧの感度を高め、かつ光がチップを通過するときにその固有の特性によって光を偏光させるように使用されている。しかし、ニオブ酸リチウムは、そのような基板の導波路が比較的短く、かつ不要な光が基板中を搬送されることがあるので、空間フィルタとして十分に機能しない。この不要な光は、導波路の光とほぼ同一直線上で進み再びこの光と一緒になることがあり、または、検出されてジャイロ出力に大きな誤差をもたらすことがある。ニオブ酸リチウムの導波路は急角度で曲げることができないので、不要なモードまたは基板光を、信号光を搬送する主導波路から空間的に分離するのは困難であり、誘導信号光が不要な光から離れた方向に誘導されるように誘導信号光の向きを急角度で変えることができない。一般に、そこに形成された導波路は、３から５度などの非常に小さな角度だけ光の方向を変える（すなわち、湾曲させるか、曲げる）ことができるだけである。その結果として、第２のスプリッタだけでなく空間フィルタも、ニオブ酸リチウム基板の外に含まれなければならず、このことで、サイズが大きくなりニオブ酸リチウム基板を利用したＩＦＯＧの製造にかかるコストが増すことがある。その上、ニオブ酸リチウムの処理および材料特性の制限のために、一般に、光検出器などの様々な他の部品および電子回路を導波路と同じ基板に集積化することはできない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、単一基板に集積化される部品数の増加した光ファイバジャイロスコープを提供することが望ましい。さらに、本発明の他の望ましい特徴および特性は、添付の図面および前記の技術分野および背景と併せ読めば、次の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
光ファイバジャイロスコープが提供される。基板は、絶縁層の上に形成されたシリコン層を有する。導波路は、シリコン層の中に形成され、主光チャネル、この主光チャネルの両端の第１および第２のスプリッタ、第１のスプリッタに結合された第１および第２のセグメント、および第２のスプリッタに結合された第３および第４のセグメントを有している。光ファイバコイルは、導波路の第３のセグメントに結合された第１の端部、および導波路の第４のセグメントに結合された第２の端部を有する。光源は、第１の方向で導波路の中に光を放射するように導波路の第１のセグメントに結合されている。導波路は、光が第１のセグメント、第１のスプリッタ、および主光チャネルを通って伝播し、かつ光が第２のスプリッタによって第１および第２の部分に分割されるように構成されている。第１および第２の部分は、導波路の第３および第４のセグメントを通って、光ファイバコイルを回って、さらに前記第３および第４のセグメントおよび第２のスプリッタを通ってそれぞれ伝播し、主光チャネル中で結合されて信号光になる。信号光は、次に、第２の方向に主光チャネルを通って伝播し、信号光の少なくともいくらかが第２のセグメントの端部から放射されるように、第１のスプリッタで分割される。光検出器は、信号光の少なくともいくらかを取り込み、かつ第１と第２の光の部分間の干渉を検出するように、導波路の第２のセグメントに結合されている。
【０００７】
以降、本発明は、添付の図面と共に説明され、図面では、同様な符号は同様な要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下の詳細な説明は、本質的に単に例示に過ぎず、本発明または本発明の応用および使用を限定する意図でない。さらに、前に記述した技術分野、背景、概要、または以下の詳細な説明に表されたいかなる明示または暗示された理論によっても拘束されるものではない。また、留意すべきことであるが、図１〜８は、単に説明的なものに過ぎず、原寸に比例して描かれていないことがある。
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態に従った光ファイバ・ジャイロスコープ・システム（すなわち、干渉方式光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ））１０を示す。システム１０は、集積光学チップ（ＩＯＣ）１２、ファイバ感知ループ（すなわち、光ファイバコイル）１４、光源１６、および光ファイバ１８を含む。
【００１０】
ＩＯＣ１２は、基板２０を含み、この基板２０上に、導波路２２、光検出器２４、位相変調器２６、およびコントローラ２８が形成されている。さらに図１を参照すると、図示の実施形態では、基板２０は、形が実質的に正方形または長方形であり、例えば３ｃｍ未満、または約５ｍｍから約１．５ｃｍの辺の長さ３２を有している。先の図３を見ると、基板２０は、第１の（すなわち、下部）シリコン（Ｓｉ）層３４、絶縁層３６、および第２の（すなわち、上部）シリコン層３９を含む。また、基板は、第２の絶縁層３８を含んでもよい。基板２０の全厚さは、約０．２５４ｍｍ（１０ミリインチ）であり、これの大部分は、第１のシリコン層３４の厚さのためである。絶縁層３６および３８は、二酸化珪素（ＳｉＯ２）などの絶縁材料から作られ、第１のシリコン層３４および第２のシリコン層３９の上に形成することができる。絶縁層３６および３８および間の第２のシリコン層３９の厚さは、例えば、約４００から約７００ミクロンである。したがって、基板２０は、一般に理解されているようなシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板の形であってもよい。層３９と周囲絶縁層３６および３８の間の屈折率差（シリコンの方が大きい）のために、光は、第２のシリコン層３９の中に閉じ込められる。基板２０、および／または図３に示されるような基板の中の様々な層は、一般に理解されているように、例えば、化学気相成長（ＣＶＤ）、結合、および熱成長のプロセス、またはこれらを組合せた方法を使用して形成してもよい。絶縁層の代わりに空気が第２のシリコン層３９の上にある場合でも、第２のシリコン層３９への縦モード閉じ込めは起こるので、いくつかの設計では、第２の絶縁層３８を省略することが可能なことがある。
【００１１】
再び、図１を参照して、基板２０は、また、基板２０の中に、または基板２０の上に配置された偏光エレメント４１（すなわち、偏光子）を含むことがあり、これによって、最小相反構成の要求条件が確実に満たされる。これは、偏光子４１の領域の導波路２２の近くの光誘導領域にごく接近して金属層などの追加層を加えることによって、行われてもよい。もしくは、偏光子４１はトレンチを含むことがあり、このトレンチで、導波路２２が中断され微小光学偏光子すなわち偏光結晶が挿入される。しかし、導波路２２から出ていき、微小光学偏光子を横切った後で導波路２２に再び入るビームを平行にするために、レンズが必要である場合がある。基板２０は、単体として示されているが、基板２０は、例えば、約１５０、２００、３００ミリメートルの直径の半導体ウェーハの一部であってもよいことは、理解されるべきである。その上、当技術分野で一般に理解されているように、基板２０は、ウェーハが分割された複数のダイの１つ、すなわち「小立方体」を構成することがある。
【００１２】
図２および３を参照すると、基板２０は、また、光子結晶構造または光子バンドギャップ周期構造を形成する、層３８、３９および３６を貫通する複数の穴４０を含む。これらの穴４０は、一般に理解されているように、例えば、フッ化炭化水素放電に基づいたドライエッチングプロセスを使用して形成されてもよい。領域または区域４２では、基板２０は穴４０で占有されていない。空いた区域４２は、以下でより詳細に説明されるように、導波路２２を画定する。留意すべきことであるが、図３に示された導波路２２では、縦方向の屈折率差（すなわち、屈折率誘導）によって、さらに水平方向の光子バンドギャップ効果によって、光は、単一空間モードに閉じ込められる。他の実施形態では、横方向で単一緊密導波モード（ｓｉｎｇｌｅ ｔｉｇｈｔｌｙ ｇｕｉｄｅｄ ｍｏｄｅ）に光を閉じ込めるために従来のリッジ導波路構造が使用されることがある。というのは、シリコンでは、シリコンと二酸化シリコンの屈折率の差が大きいからである。この実施形態では、光を導くために使用される横方向の薄い角リッジを除いて、第２のシリコン層は、例えばエッチングによって除去される。光を閉じ込めるために、再び、二酸化珪素が、導波路領域の上面、および側面に堆積されてもよい。
【００１３】
図１に示されるように、導波路２２は、主チャネル４６、第１のスプリッタ４８、第２のスプリッタ５０、および第１、第２、第３、および第４のセグメント５２、５４、５６、および５８を含む。図示された実施形態では、主チャネル４６は、チャネルの端が、基板２０のデバイス側部６０の方へ実質的に垂直に向けられように、「ひじ形部」および／または「Ｓ字湾曲部」を有している。主チャネル４６は、例えば、約５ミクロンから約０．５ｃｍの曲率半径６２を有してもよい。第１および第２のスプリッタ（または、Ｙスプリッタ）４８と５０は、主チャネル４６の両端に結合され、主チャネル４６と同様に、図１に特に示されていない前述の空いた区域４２によって、または前述のリッジ導波路によって画定されている。第１および第２のセグメント５２および５４は、第１のスプリッタ４８に接続されて、第１のセグメント５２はデバイス側部の中心部分に至り、第２の部分５４は基板２０の角領域に至っている。第３および第４のセグメント５６および５８は、第２のスプリッタ５０に接続され、基板２０のデバイス側部６０の外側部分に至っている。導波路２２の他の部分のように、セグメント５２、５４、５６、および５８は、第２のシリコン層３９の前述の空いた区域４２によって、または従来のリッジ導波路によって画定されている。
【００１４】
光検出器２４は、導波路２２の第２のセグメント５４の端部に隣接している。詳細に示されていないが、好ましい実施形態では、光検出器２４は、第２のシリコン層３９の中に形成されたゲルマニウム添加領域を中に含むフォトダイオードを含む。光検出器２４は、また、ゲルマニウムまたはインジウムガリウム砒素燐（ＩｎＧａＡｓＰ）から作られた個別光検出器チップであってもよい。位相変調器２６は、基板２０上に形成され、図示の実施形態では、４つの電極６２を含んでいる。詳細に図示されていないが、電極６２の各々は、導波路２２の近くの基板２０の中に形成された導電線、パッド、またはトレースを含むことがある。電気信号が導波路区域へのキャリアの注入を変えてその部分の屈折率を調節することができるようにするために、これらの電極６２は、銅、アルミニウム、または金などの任意の適切な導電性材料であってもよい。電極６２の位置は、信号が生じた（アクセスするための）場所および導波路２２の正確な幾何学的配置に依存する。電極６２は、対で配列されることがあり、各対は導波路の第３および第４のセグメント５６および５８にそれぞれごく接近している。
【００１５】
コントローラ２８（すなわち、処理サブシステム）は、一実施形態では、基板２０上に、または基板２０の中に形成され、さらに、当業者は理解するように、用途特定集積回路（ＡＳＩＣ）および／または、コンピューティングシステムによって実行され、以下で説明される方法およびプロセスを実施するコンピュータ可読媒体に格納された指示、などの様々な回路および集積回路を含んだ電子部品を含んでもよい。具体的に示されていないが、コントローラ２８は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）、マイクロプロセッサまたはデジタル・ゲート・アレイ、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）、およびいくつかの増幅器を含んでもよい。第１の増幅器は、光検出器２４の出力に接続されて、適切な信号バッファを実現し、さらに光検出器２４から受け取られた出力信号の全体的な利得を増加または減少させることがある。ＡＤＣは、含まれていれば第１の増幅器か、光検知器２４かのどちらかから受け取られたアナログ信号を、そのアナログ信号を表すデジタルデータに変換し、このデジタルデータをマイクロプロセッサまたはデジタル・ゲート・アレイに供給する。ＤＡＣおよび、含まれていれば、第２の増幅器は、マイクロプロセッサの出力に連続的に接続されている。一般に知られているように、ＤＡＣは、マイクロプロセッサから供給されたデジタルデータを、そのデジタルデータを表すアナログ信号に変換する。含まれていれば第２の増幅器の出力は、セグメント５６および５８の範囲内の位相変調器に接続される。マイクロプロセッサまたはデジタル・ゲート・アレイは、ＡＤＣとＤＡＣの間に結合される。図示のように、コントローラ２８は、光源１６、光検出器２４、および位相変調器６２と動作可能に連絡している。
【００１６】
光源１６は、ファイバ光源（Ｆｉｂｅｒ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｓｅ、ＦＬＳ）組立品などの光ファイバジャイロスコープで一般に使用される任意の光源である。一実施形態では、光源は、９８０ｎｍ半導体ポンプレーザダイオードと、約１０ｎｍから３５ｎｍのおおよその帯域幅を有するほぼ１５３２ｎｍの波長の光を発生させることができるエルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）とを含む。半導体ポンプレーザダイオードは、広帯域光を放射するようにエルビウム添加ファイバを光励起するために使用される。
【００１７】
基板２０は、また、デバイス側部６０に沿って形成された複数のｖ字溝６６を含んでもよい。各ｖ字溝６６は、導波路２２のそれぞれのセグメントと、光ファイバコイル１４の端部の１つおよび光ファイバ１８の端部とを相互接続する。図４および５は、導波路２２の第１のセグメント５２と光ファイバ１８を相互接続するｖ字溝６６を示す。図４に示されるように、ｖ字溝６６は、例えば、約１００から約２０００ミクロンの長さ６８である。図５を参照して、光ファイバ１８が導波路２２の第１のセグメント５２と一直線に並ぶように光ファイバ１８（または、光ファイバコイル１４の端部）を支持する大きさにｖ字溝６６が作られるように、ｖ字溝６６は、幅７０および深さ７２を有している。ｖ字溝６６の深さ７２は、ｖ字溝６６が絶縁層３６の中に延びるように第２のシリコン層３９の厚さよりも大きくてもよい。
【００１８】
再び図１を参照すると、光ファイバコイル１４は、回転軸（図示されない）のまわりに位置付けされた、例えば約１ｋｍから約６ｋｍの長さを有する光ファイバケーブルの巻線である。光ファイバコイル１４の第１および第２の端部は、基板２０に接続され、したがって、図４および５に示されるような光ファイバ１８と同様なやり方で、導波路２２の第３および第４のセグメント５６および５８と一直線に並べられている。
【００１９】
動作時に、コントローラ２８は、光源１６を起動し、光源１６は、光ファイバ１８を通して、導波路２２の第１のセグメント５２の中に光を放射する。この光は、第１のセグメント５２を通り抜け、第１のスプリッタ４８を通り過ぎ、さらに主光チャネル２２の中に進み、そこで第２のスプリッタ５０の方へ向けられる。光が第２のスプリッタ５０を通過するときに、この光は第１の部分と第２の部分に分割される。第１の部分は、導波路２２の第３のセグメント５６を通って光ファイバコイル１４に伝播し、時計方向でコイル１４を横切る。第２の部分は、第４のセグメント５８を通って光ファイバ１４の方へ伝播し、反時計方向でコイル１４を横切る。第１および第２の光の部分が位相変調器２６を通過するときに、コントローラ２８は、例えば、当技術分野で一般に理解されているような方形波バイアス変調技法を実施して、ＩＦＯＧ１０の感度を高める。変調の深さは、特定の用途に依存して様々な位相点で選ばれてもよい。例には、±π／２、±３π／４、±７π／８、および±１５π／１６がある。
【００２０】
図６は、動作中の基板２０の下の方の部分を示す。第１および第２の光の部分が光ファイバコイル１４から第２のスプリッタ５０に戻るときに、第１および第２の光の部分の大部分は、導波路２２の中にとどまり（すなわち、信号光７４）、主チャネル４６に沿って伝播する。しかし、第１および第２の光の部分のいくらかは、図１に示されるように、導波路２２から横方向に第２のシリコン層３８の中に進むことがあり（すなわち、透過光７６）、または、絶縁層の中に漏れ、信号光７４と同一線上でまたはほぼ同一線上で伝播することがある。信号光７４は、導波路２２の主チャネル４６の経路に従い、したがって、基板２０の上の方の部分の方へ曲げられる。当業者は理解するように、偏光子４１は、導波路２２の光の１つの可能な偏光を大きく減衰させて、相反性条件を保証する。透過光７６は、基板２０全体にわたって広がり続け、好ましくは、導波路２２に再び入らないように、および／または検出器２４で検出されないようにされる。
【００２１】
図７は、動作中の基板２０の上の方の部分を示す。図示のように、信号光７４は、第１のスプリッタ４８まで導波路２２に従い続ける。第１のスプリッタ４８は、一部が光検出器２４に伝播し他の部分が光ファイバ１８に伝播するように、信号光７４を分割する。図７と組み合わせて図６を参照すると、導波路２２の湾曲形状、特に導波路２２の主チャネル４６の湾曲形状によって、信号光７４は、透過光７６からフィルタされる、すなわち分離されるようになる。一実施形態では、信号光７４の方向が、コイル１４から光検出器２４までの伝播の間に９０度を超えて変えられる（すなわち、曲げられる）ように、導波路２２は形作られる。これによって、導波路２２に結合して入る、すなわち光検出器２４に到達する透過光７６の能力が大きく弱められる。当業者は理解するように、導波路２２の形状によって行われるフィルタ処理（すなわち、空間フィルタ処理）は、所望の信号光のただ１つの空間モードの光だけが光検出器２４に伝播されることを保証する。
【００２２】
したがって、信号光７４の少なくともいくらか（すなわち、信号光７４の第１および第２の部分の少なくともいくらか）は、光検出器２４で取り込まれる。しかし、図示のように、光検出器２４の方へ伝播する透過光７６（例えば第１および第２のスプリッタ４８および５０から生じた）の成分は、非常に少なくなる。導波路２２の向きおよび光検出器２４の能動エレメントの向きのために、光検出器２４の方へ伝播するいかなる透過光７６も、取り込まれることなく光検出器２４を通り過ぎる。したがって、透過光のうちで光検出器２４によって取り込まれるものは実質的になく、信号光７４の少なくともいくらかは光検出器２４で取り込まれる。
【００２３】
図１、６および７で特に興味深いことは、信号光７４が第２のスプリッタ５０および第１のスプリッタ４８を通過するときに、信号光７４が導波路の中で偏光子４１によって偏光され、導波路２２の形状のために空間的にフィルタされることである。したがって、ＩＦＯＧ１０は、当技術分野で一般に理解されるように「最小相反構成」になっていると考えられる。その結果として、光検出器で取り込まれる第１と第２の光の部分が進む光路長の差は、コイル１４の回転軸のまわりのＩＦＯＧ１０の回転だけによっている。すなわち、ＩＦＯＧ１０が全く回転していないとき、第１および第２の光の部分が進む光路長は同一である。
【００２４】
光検出器２４は、導波路の第２のセグメント５４から信号光７４の一部分を受け取り、一般に理解されるように、光ファイバコイル１４の軸のまわりのＩＦＯＧ１２の回転による信号光７４の第１の部分と第２の部分の間の任意の干渉パターンを表す信号を生成する。コントローラ２８は、光検出器２４からの信号を処理し、それからＩＦＯＧ１０の回転速度を計算する。
【００２５】
上述の本システムの１つの有利点は、導波路、光検出器、位相変調器、およびコントローラが単一基板（超小型電子技術ダイすなわち半導体チップ）に集積化されることである。したがって、ＩＦＯＧの全体的な大きさおよび製造コストは最小限になる。他の有利点は、基板がシリコンから作られているので、基板上の様々な構成を標準的な半導体処理技術を使用して形成できる場合がある、それによって、ＩＦＯＧの製造コストがさらに減少することである。さらに他の有利点は、光子結晶構造の場合に強調される厳密な半径にシリコン導波路が対応することができるので、ＩＦＯＧが適切に機能するために必要とされるような高効率空間フィルタ処理を実現するように導波路の曲率半径を最小限にすることができることである。その結果として、基板の大きさは、さらにいっそう最小限にすることができる。
【００２６】
図８は、本発明の他の実施形態に従ったＩＦＯＧ１０に使用される基板７８を示す。基板７８は、第１の（すなわち、下部）シリコン層８０、第１の絶縁層８２、第２の（すなわち、上部）シリコン層８４、および第２の絶縁層８６を含む。基板７８は、同じ材料を使用して上述の基板２０と同様なやり方で形成されてもよい。しかし、第２のシリコン層８４は、光子セルを含まなくてもよく、導波路９０は、第２のシリコン層８４と、第２の絶縁層８６に加えて第１の絶縁層８２との屈折率の差のために形成されてもよい。導波路９０は、「リッジ導波路」と呼ばれることがあり、図示されていないが、位相変調器２６の近く、および／または導波路２２の第３および第４のセグメント５６および５８内などの図１に示された基板２０の様々な部分で利用されてもよい。
【００２７】
他の実施形態は、Ｓ字形またはＬ字形の様々な組合せなどの導波路の異なる形状を利用することがある。したがって、光源などのＩＦＯＧの様々な部品は、他の部品に対して再位置決めされてもよい。例えば、光源は、光ファイバコイルに向い合う側部などの基板のどの側部に結合されてもよい。また、光源は、基板に取り付けられ導波路に結合された広帯域超放射ダイオード（ＳＲＤ）の形であってもよい。
【００２８】
少なくとも１つの例示の実施形態が上記の詳細な説明で示されたが、多数の変形物が存在することは理解されるべきである。また、理解されるべきことであるが、例示の１つまたは複数の実施形態は、ただ実施例に過ぎず、いずれにせよ本発明の範囲、適用性、または構成を限定するものではない。むしろ、上記の詳細な説明は、例示の１つまたは複数の実施形態を実施するために好都合なロードマップを当業者に提供する。理解されるべきことであるが、添付の特許請求の範囲に示されるような本発明の範囲およびそれの法律上の同等物から逸脱することなく、要素の機能および配置に様々な変更が加えられることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に従った基板を含んだ光ファイバ・ジャイロスコープ・システムを示す模式図である。
【図２】細部Ａについて描かれた図１の基板の一部を示す上面図である。
【図３】線３‐３に沿って描かれた図２の基板の一部を示す断面側面図である。
【図４】細部Ｂについて描かれた図１の基板の一部を示す上面図である。
【図５】線５‐５に沿って描かれた図４の基板の一部を示す断面側面図である。
【図６】動作を示す、図１の基板の下の方の部分の上面図である。
【図７】動作を示す、図１の基板の上の方の部分の上面図である。
【図８】本発明の他の実施形態に従った基板を示す断面側面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０ 干渉方式光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）
１２ 集積光学チップ（ＩＯＣ）
１４ 光ファイバコイル（ファイバ感知ループ）
１６ 光源
１８ 光ファイバ
２０ 基板
２２ 導波路
２４ 光検出器
２６ 位相変調器
２８ コントローラ
３４ 第１のシリコン層
３６ 絶縁層
３９ 第２のシリコン層
４１ 偏光子
４６ 主チャネル
４８ 第１のスプリッタ
５０ 第２のスプリッタ
５２ 第１のセグメント
５４ 第２のセグメント
５６ 第３のセグメント
５８ 第４のセグメント
６６ ｖ字溝
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバジャイロスコープであって、
絶縁層（３６）の上に形成されたシリコン層（３９）を有する基板（２０）と、
前記シリコン層（３９）の中に形成された導波路（２２）とを有し、前記導波路（２２）は、主光チャネル（４６）、前記主光チャネル（４６）の両端に位置する第１および第２のスプリッタ（４８、５０）、前記第１のスプリッタ（４８）に結合された第１および第２のセグメント（５２、５４）、ならびに前記第２のスプリッタ（５０）に結合された第３および第４のセグメント（５６、５８）を有し、
前記光ファイバジャイロスコープはさらに光ファイバコイル（１４）を有し、前記光ファイバコイル（１４）は、前記導波路（２２）の前記第３のセグメント（５６）に結合された第１の端部、および前記導波路（２２）の前記第４のセグメント（５８）に結合された第２の端部を有し、
前記光ファイバジャイロスコープはさらに、第１の方向で前記導波路（２２）の中に光を放射するように前記導波路（２２）の前記第１のセグメント（５２）に結合された光源（１６）を有し、前記導波路（２２）は、前記光が前記第１のセグメント（５２）、前記第１のスプリッタ（４８）、および前記主光チャネル（４６）を通って伝播し、前記光が前記第２のスプリッタ（５０）によって第１および第２の部分に分割されるように構成され、かつ前記導波路（２２）は、前記第１および第２の部分がそれぞれ前記導波路（２２）の前記第３および第４のセグメント（５６、５８）を通って、前記光ファイバコイル（１４）を回って、さらに前記第３および第４のセグメント（５６、５８）および前記第２のスプリッタ（５０）を通ってそれぞれ伝播し、前記第１および第２の部分が前記主光チャネル（４６）中で結合されて信号光になるように構成され、前記信号光は、第２の方向に前記主光チャネル（４６）を通って伝播し、前記信号光の少なくともいくらかが前記第２のセグメント（５４）の端部から放射されるように前記第１のスプリッタ（４８）によって分割され、
前記光ファイバジャイロスコープはさらに、前記信号光を取り込みかつ前記第１と第２の光の部分との間の干渉を検出するように、前記導波路（２２）の前記第２のセグメント（５４）に結合された光検出器（２４）を備えることを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
【請求項２】
請求項１に記載の光ファイバジャイロスコープであって、前記第１の光の部分および前記第２の光の部分が、前記第２のスプリッタ（５０）による前記分割と前記光検出器（２４）による前記信号光の前記取り込みとの間で、実質的に等しい光路長を進むことを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
【請求項３】
請求項２に記載の光ファイバジャイロスコープであって、前記信号光が、前記第１のスプリッタ（４８）と前記第２のスプリッタ（５０）との間の前記伝播中にただ１つの偏光状態で進むように、前記基板（２０）に結合された偏光子（４１）をさらに備えることを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
【請求項４】
請求項３に記載の光ファイバジャイロスコープであって、前記導波路（２２）が、さらに、前記光ファイバコイル（１４）から前記光検出器（２４）までの前記伝播の間に前記信号光の方向を少なくとも９０度変えるように構成されることを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
【請求項５】
請求項４に記載の光ファイバジャイロスコープであって、前記基板（２０）が、３ｃｍ未満の少なくとも１つの寸法を有している、光ファイバジャイロスコープ。
【請求項６】
請求項５に記載の光ファイバジャイロスコープであって、前記光検出器（２４）が、前記基板（２０）上に形成されることを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
【請求項７】
請求項６に記載の光ファイバジャイロスコープであって、前記光検出器（２４）が、前記基板（２０）上に形成されたゲルマニウム添加領域を備えることを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
【請求項８】
請求項７に記載の光ファイバジャイロスコープであって、前記光源（１６）と前記導波路（２２）の前記第１のセグメント（５２）とを相互接続する光ファイバ（１８）をさらに備えることを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
【請求項９】
請求項８に記載の光ファイバジャイロスコープであって、前記基板（２０）が、多角形であり、前記光ファイバコイル（１４）の前記第１および第２の端部が、前記基板（２０）の第１の側部に挿入され、前記光ファイバ（１８）が、前記基板（２０）の第２の側部に挿入され、さらに、前記導波路（２２）の前記第１、第３、および第４のセグメント（５２、５４、５６、５８）が、前記基板（２０）の前記第１および第２の側部のうちの一方に向かって実質的に延びていることを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
【請求項１０】
光ファイバジャイロスコープであって、
絶縁層（３６）の上に形成されたシリコン層（３９）を有する基板（２０）と、
前記シリコン層（３９）の中に形成された導波路（２２）とを有し、前記導波路（２２）は、主光チャネル（４６）、前記主光チャネル（４６）の両端に位置する第１および第２のスプリッタ（４８、５０）、前記第１のスプリッタ（４８）に結合された第１および第２のセグメント（５２、５４）、ならびに前記第２のスプリッタ（５０）に結合された第３および第４のセグメント（５６、５８）を有し、前記主光チャネル（４６）が少なくとも９０度の湾曲部を有し、
前記光ファイバジャイロスコープはさらに、光ファイバコイル（１４）を有し、前記光ファイバコイル（１４）は、前記導波路（２２）の第３のセグメント（５６）に結合された第１の端部、および前記導波路（２２）の前記第４のセグメント（５８）に結合された第２の端部を有し、
前記光ファイバジャイロスコープはさらに、第１の方向で前記導波路（２２）の中に光を放射するように前記導波路（２２）の前記第１のセグメント（５２）に結合された光源（１６）を有し、前記導波路（２２）は、前記光が前記第１のセグメント（５２）、前記第１のスプリッタ（４８）、および前記主光チャネル（４６）を通って伝播し、前記光が前記第２のスプリッタ（５０）によって第１および第２の部分に分割されるように構成され、かつ前記導波路（２２）は、前記第１および第２の部分がそれぞれ前記導波路（２２）の前記第３および第４のセグメント（５６、５８）を通って、前記光ファイバコイル（１４）を回って、さらに前記第３および第４のセグメント（５６、５８）および前記第２のスプリッタ（５０）を通ってそれぞれ伝播し、前記第１および第２の部分が前記主光チャネル（４６）中で結合されて信号光になるように構成され、前記信号光は、第２の方向に前記主光チャネル（４６）を通って伝播し、前記信号光の少なくともいくらかが前記第２のセグメント（５４）の端部から放射されるように前記第１のスプリッタ（４８）によって分割され、
前記光ファイバジャイロスコープはさらに、前記信号光が、前記第１のスプリッタ（４８）と前記第２のスプリッタ（５０）の間の前記伝播中にただ１つの偏光状態で進むように、前記基板（２０）に結合された偏光子（４１）を有し、
前記光ファイバジャイロスコープはさらに、前記基板（２０）上に形成され、前記導波路（２０）の前記第２のセグメント（５４）に結合された光検知器（２４）を有し、前記光検知器（２４）は、前記信号光を取り込み、かつ前記第１の光の部分と前記第２の光の部分との間の干渉を検出し、前記光ファイバコイル（１４）が回転していないとき、前記第１の光の部分および前記第２の光の部分が、前記第２のスプリッタ（５０）による前記分割と前記光検出器（２４）による前記取り込みとの間で実質的に等しい光路長を進むことを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
【請求項１】
光ファイバジャイロスコープであって、
絶縁層（３６）の上に形成されたシリコン層（３９）を有する基板（２０）と、
前記シリコン層（３９）の中に形成された導波路（２２）とを有し、前記導波路（２２）は、主光チャネル（４６）、前記主光チャネル（４６）の両端に位置する第１および第２のスプリッタ（４８、５０）、前記第１のスプリッタ（４８）に結合された第１および第２のセグメント（５２、５４）、ならびに前記第２のスプリッタ（５０）に結合された第３および第４のセグメント（５６、５８）を有し、
前記光ファイバジャイロスコープはさらに光ファイバコイル（１４）を有し、前記光ファイバコイル（１４）は、前記導波路（２２）の前記第３のセグメント（５６）に結合された第１の端部、および前記導波路（２２）の前記第４のセグメント（５８）に結合された第２の端部を有し、
前記光ファイバジャイロスコープはさらに、第１の方向で前記導波路（２２）の中に光を放射するように前記導波路（２２）の前記第１のセグメント（５２）に結合された光源（１６）を有し、前記導波路（２２）は、前記光が前記第１のセグメント（５２）、前記第１のスプリッタ（４８）、および前記主光チャネル（４６）を通って伝播し、前記光が前記第２のスプリッタ（５０）によって第１および第２の部分に分割されるように構成され、かつ前記導波路（２２）は、前記第１および第２の部分がそれぞれ前記導波路（２２）の前記第３および第４のセグメント（５６、５８）を通って、前記光ファイバコイル（１４）を回って、さらに前記第３および第４のセグメント（５６、５８）および前記第２のスプリッタ（５０）を通ってそれぞれ伝播し、前記第１および第２の部分が前記主光チャネル（４６）中で結合されて信号光になるように構成され、前記信号光は、第２の方向に前記主光チャネル（４６）を通って伝播し、前記信号光の少なくともいくらかが前記第２のセグメント（５４）の端部から放射されるように前記第１のスプリッタ（４８）によって分割され、
前記光ファイバジャイロスコープはさらに、前記信号光を取り込みかつ前記第１と第２の光の部分との間の干渉を検出するように、前記導波路（２２）の前記第２のセグメント（５４）に結合された光検出器（２４）を備えることを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
【請求項２】
請求項１に記載の光ファイバジャイロスコープであって、前記第１の光の部分および前記第２の光の部分が、前記第２のスプリッタ（５０）による前記分割と前記光検出器（２４）による前記信号光の前記取り込みとの間で、実質的に等しい光路長を進むことを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
【請求項３】
請求項２に記載の光ファイバジャイロスコープであって、前記信号光が、前記第１のスプリッタ（４８）と前記第２のスプリッタ（５０）との間の前記伝播中にただ１つの偏光状態で進むように、前記基板（２０）に結合された偏光子（４１）をさらに備えることを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
【請求項４】
請求項３に記載の光ファイバジャイロスコープであって、前記導波路（２２）が、さらに、前記光ファイバコイル（１４）から前記光検出器（２４）までの前記伝播の間に前記信号光の方向を少なくとも９０度変えるように構成されることを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
【請求項５】
請求項４に記載の光ファイバジャイロスコープであって、前記基板（２０）が、３ｃｍ未満の少なくとも１つの寸法を有している、光ファイバジャイロスコープ。
【請求項６】
請求項５に記載の光ファイバジャイロスコープであって、前記光検出器（２４）が、前記基板（２０）上に形成されることを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
【請求項７】
請求項６に記載の光ファイバジャイロスコープであって、前記光検出器（２４）が、前記基板（２０）上に形成されたゲルマニウム添加領域を備えることを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
【請求項８】
請求項７に記載の光ファイバジャイロスコープであって、前記光源（１６）と前記導波路（２２）の前記第１のセグメント（５２）とを相互接続する光ファイバ（１８）をさらに備えることを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
【請求項９】
請求項８に記載の光ファイバジャイロスコープであって、前記基板（２０）が、多角形であり、前記光ファイバコイル（１４）の前記第１および第２の端部が、前記基板（２０）の第１の側部に挿入され、前記光ファイバ（１８）が、前記基板（２０）の第２の側部に挿入され、さらに、前記導波路（２２）の前記第１、第３、および第４のセグメント（５２、５４、５６、５８）が、前記基板（２０）の前記第１および第２の側部のうちの一方に向かって実質的に延びていることを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
【請求項１０】
光ファイバジャイロスコープであって、
絶縁層（３６）の上に形成されたシリコン層（３９）を有する基板（２０）と、
前記シリコン層（３９）の中に形成された導波路（２２）とを有し、前記導波路（２２）は、主光チャネル（４６）、前記主光チャネル（４６）の両端に位置する第１および第２のスプリッタ（４８、５０）、前記第１のスプリッタ（４８）に結合された第１および第２のセグメント（５２、５４）、ならびに前記第２のスプリッタ（５０）に結合された第３および第４のセグメント（５６、５８）を有し、前記主光チャネル（４６）が少なくとも９０度の湾曲部を有し、
前記光ファイバジャイロスコープはさらに、光ファイバコイル（１４）を有し、前記光ファイバコイル（１４）は、前記導波路（２２）の第３のセグメント（５６）に結合された第１の端部、および前記導波路（２２）の前記第４のセグメント（５８）に結合された第２の端部を有し、
前記光ファイバジャイロスコープはさらに、第１の方向で前記導波路（２２）の中に光を放射するように前記導波路（２２）の前記第１のセグメント（５２）に結合された光源（１６）を有し、前記導波路（２２）は、前記光が前記第１のセグメント（５２）、前記第１のスプリッタ（４８）、および前記主光チャネル（４６）を通って伝播し、前記光が前記第２のスプリッタ（５０）によって第１および第２の部分に分割されるように構成され、かつ前記導波路（２２）は、前記第１および第２の部分がそれぞれ前記導波路（２２）の前記第３および第４のセグメント（５６、５８）を通って、前記光ファイバコイル（１４）を回って、さらに前記第３および第４のセグメント（５６、５８）および前記第２のスプリッタ（５０）を通ってそれぞれ伝播し、前記第１および第２の部分が前記主光チャネル（４６）中で結合されて信号光になるように構成され、前記信号光は、第２の方向に前記主光チャネル（４６）を通って伝播し、前記信号光の少なくともいくらかが前記第２のセグメント（５４）の端部から放射されるように前記第１のスプリッタ（４８）によって分割され、
前記光ファイバジャイロスコープはさらに、前記信号光が、前記第１のスプリッタ（４８）と前記第２のスプリッタ（５０）の間の前記伝播中にただ１つの偏光状態で進むように、前記基板（２０）に結合された偏光子（４１）を有し、
前記光ファイバジャイロスコープはさらに、前記基板（２０）上に形成され、前記導波路（２０）の前記第２のセグメント（５４）に結合された光検知器（２４）を有し、前記光検知器（２４）は、前記信号光を取り込み、かつ前記第１の光の部分と前記第２の光の部分との間の干渉を検出し、前記光ファイバコイル（１４）が回転していないとき、前記第１の光の部分および前記第２の光の部分が、前記第２のスプリッタ（５０）による前記分割と前記光検出器（２４）による前記取り込みとの間で実質的に等しい光路長を進むことを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−３２７２５（Ｐ２００８−３２７２５Ａ）
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００７−１９９４２５（Ｐ２００７−１９９４２５）
【出願日】平成１９年７月３１日（２００７．７．３１）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１９９４２５（Ｐ２００７−１９９４２５）
【出願日】平成１９年７月３１日（２００７．７．３１）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
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